机器人引论 张涛第1章 绪论

1、机器人引论,第1章 绪论,第1章 绪论,1.1 机器人简介 1.2 机器人的发展历史 1.3 机器人的基本结构 1.4 机器人的分类 1.5 机器人的应用 1.6 机器人学的研究内容 1.7 机器人学的国内外研究现状,1.1 机器人简介,1.1.1 机器人的由来 “机器人”一词最早出现于1920年捷克剧作家卡雷尔凯培克（Karel Kapek）一部幻想剧罗萨姆的万能机器人（Rossums Universal Robots）中，“Robot”是由斯洛伐克语“Robota”衍生而来的。 1950年，美国科幻小说家加斯卡阿西莫夫（Jassc Asimov）在他的小说我是机器人中，提出了著名的“机器人三守则”，即：,1. 机器人不能危害人类，不能眼看人类受害而袖手旁观； 2. 机器人必须服从于人类，除非这种服从有害于人类； 3. 机器人应该能够保护自身不受伤害，除非为了保护人类或者人类命令它作出牺牲。 这三条守则给机器人赋以伦理观。至今，机器人研究者都以这三个原则作为开发机器人的准则。,世界上第一台机器人于1954年诞生于美国，乔治戴沃尔（George Devol）设想了一种可控制的机械手，并

2、设计制作出世界上第一台机器人实验装置。1962年，美国万能自动化公司（Unimation）制作出Unimate机器人。它是世界上第一代工业机器人，并在美国通用汽车公司（GM）投入使用。从而，机器人开始成为人类生活中的现实。,1.1.2 机器人的定义 目前，虽然机器人已被广泛应用，但世界上对机器人还没有一个统一、严格、准确的定义，不同国家、不同研究领域给出的定义不尽相同。尽管定义的基本原则大体一致，但仍然有较大区别。国际上主要有以下几种： 美国机器人协会（RIA）的定义：机器人是“一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程的动作来执行种种任务的并具有编程能力的多功能机械手”。这个定义叙述具体，更适用于对工业机器人的定义。,美国国家标准局（NBS）的定义：机器人是“一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置”。这也是一种比较广义的工业机器人的定义。 日本工业机器人协会（JIRA）的定义：它将机器人的定义分成两类。工业机器人是“一种能够执行与人体上肢（手和臂）类型动作的多功能机器”；智能机器人是“一种具有感觉和识别能力，并能控制自身行为的机器”。,英国简

3、明牛津字典的定义：机器人是“貌似人的自动机，具有智力的和顺从于人但不具有人格的机器”。这是一种对理想机器人的描述，到目前为止，尚未有与人类在智能上相似的机器人。 国际标准化组织（ISO）的定义：它的定义较为全面和准确，其定义涵盖如下内容：（1）机器人的动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官（肢体、感官等）的功能；（2）机器人具有通用性，工作种类多样，动作程序灵活易变；（3）机器人具有不同程度的智能性，如记忆、感知、推理、决策、学习等；（4）机器人具有独立性，完整的机器人系统在工作中可以不依赖于人的干预。,1.1.3 机器人学的研究领域 机械手设计； 机器人运动学和动力学； 机器人轨迹规划； 机器人驱动技术； 机器人传感器； 机器人视觉； 机器人控制； 机器人本体结构； 机器人智能等。,1.2 机器人的发展历史,随着第一台机器人在美国的诞生，机器人就进入了它的第一阶段的发展历程，即工业机器人时代。 随着工业机器人的发展，其它类型机器人也逐步涌现出来。80年代，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人，这是一个概括的、含义广泛的概念。 这一概念不但指导了机器人技术的研究和应用

4、，而且又赋予了机器人技术向深广发展的巨大空间，水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世。,现代拟人机器人ASIMO,犬型机器人AIBO,1.3 机器人的基本结构,机械手或移动车：这是机器人的主体部分，由连杆、活动关节以及其它结构部件构成。如果没有其它部件，仅机械手本身并不是机器人。 末端执行器：这就是连接在机械手最后一个关节上的部件，它一般用来抓取物体，与其它机构连接并执行需要的任务。机器人制造商一般不设计或出售末端执行器，多数情况下，他们只提供一个简单的抓持器。一般来说，机器人手部都备有能连接专用末端执行器大接口，这些末端执行器是为某种用途专门设计的。 驱动器：驱动器是机械手的“肌肉”。常见的驱动器有伺服电机、步进电机、气缸及液压缸等，也还有一些用于某些特殊场合的新型驱动器。驱动器受控制器的控制。,传感器：传感器用来收集机器人内部状态的信息或用来与外部环境进行通信。 控制器：机器人控制器与人的小脑十分相似，虽然小脑的功能没有人的大脑功能强大，但它却控制着人的运动。机器人控制器从计算机获取数据，控制驱动器的动作，并与传感器反馈信息一起协调机

5、器人的运动。 处理器：处理器是机器人的大脑，用来计算机器人关节的运动，并且监督控制器与传感器协调动作。处理器通常就是一台计算机，只不过是一种专用计算机。它也需要拥有操作系统、程序和像监视器那样的外部设备等，同时它在许多方面也具有与PC处理器同样的功能和局限性。,软件：用于机器人的软件大致有三块。第一块是操作系统，用来操作计算机；第二块是机器人软件，它根据机器人的运动方程计算每一个关节的必要动作，然后将这些信息传送到控制器，这种软件有多种级别，即从机器语言到现代机器人使用的复杂高级语言不等；第三块是例行程序集合和应用程序，它们是为了使用机器人外部设备而开发的（例如视觉通用程序），或者是为了执行特定任务而开发的。,1.4 机器人的分类,按照日本工业机器人学会（JIRA）的标准，可将机器人进行如下分类： 第一类：人工操作机器人。由操作员操作的多自由度装置； 第二类：固定顺序机器人。按预定的不变方法有步骤地依此执行任务的设备，其执行顺序难以修改； 第三类：可变顺序机器人。同第二类，但其顺序易于修改。 第四类：示教再现（playback）机器人。操作员引导机器人手动执行任务，记录下这些动作并由机

6、器人以后再现执行，即机器人按照记录下的信息重复执行同样的动作。,第五类：数控机器人。操作员为机器人提供运动程序，并不是手动示教执行任务。 第六类：智能机器人。机器人具有感知外部环境的能力，即使其工作环境发生变化，也能够成功地完成任务。 美国机器人学会（RIA）只将以上第三类至第六类视做机器人。 我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人。,1.5 机器人的应用,机器人最适合在那些人类无法工作的环境中工作。它们已在许多工业部门获得广泛应用。它们可以比人类工作得更好并且成本低廉。例如，因为焊接机器人能够更均匀一致地运动，它可以比焊接工人焊得更好。此外，机器人无需焊接工人工作时使用护目镜、防护服、通风设备及其必要的防护措施。因此，只要焊接工作设置由机器人自动操作并不再改变，而且该焊接工作也不是太复杂，那么机器人就比较适合做这样的工作并能提高生产效率。同样，海底勘探机器人远不像人类潜水员工作时需要太多的关注，机器人可以在水

7、下停留更长的时间，并潜入更深的水底而仍能承受住巨大的压力，而且它也不需要氧气。,焊接机器人,我国自主研制的月球车,1.6 机器人学的研究内容,空间结构学：空间机构在机器人中的应用体现在：机器人机身和臂部机构的设计、机器人手部机构设计、机器人行走机构的设计、机器人关节部机构的设计，即机器人机构的型综合和尺寸综合。 机器人运动学：机器人的执行机构实际上是一个多刚体系统，研究要涉及到组成这一系统的各杆件之间以及系统与对象之间的相互关系，为此需要一种有效的数学描述方法。 机器人静力学：机器人与环境之间的接触会在机器人与环境之间引起相互的作用力和力矩，这种力和力矩的输入和输出关系在机器人控制中是十分重要的。静力学主要讨论机器人手部端点力与驱动器输入力矩的关系。,机器人动力学：机器人是一个复杂的动力学系统，要研究和控制这个系统，首先必须建立它的动力学方程。动力学方程是指作用于机器人各机构的力或力矩及其位置、速度、加速度关系的方程式。 机器人控制技术：机器人的控制技术是在传统机械系统的控制技术的基础之上发展起来的。两者之间无根本的不同。但机器人控制系统也有许多特殊之处。它是有耦合的、非线性的多变量的

8、控制系统。其负载、惯量、重心等随时间都可能变化，不仅要考虑运动学关系还要考虑动力学因素，其模型为非线性而工作环境又是多变的等。主要研究的内容有机器人控制方式和机器人控制策略。,机器人传感器：机器人的感觉主要通过传感器来实现。机器人所研究的传感器分为两大类：外部传感器和内部传感器。外部传感器又包括远距离传感器（如视觉传感器、听觉传感器等）、非接触传感器和接触传感器（如触觉传感器、力传感器等）。它是为了对环境产生相适应的动作而取得环境信息。内部传感器包括加速度传感器、速度传感器、位置传感器、姿态传感器等。她是根据指令而进行动作，检测机器人各部状态。,机器人语言：机器人语言分为通用机器人语言和专用机器人语言。 通用机器人语言的种类很多，主要采用计算机语言。例如汇编语言、FORTRAN、FORTH、BASIC、C等。随着作业内容的复杂化，利用程序来控制机器人显得越来越困难。为了寻求用简单的方法描述作业，控制机器人动作，人们开发了一些机器人专用语言，如AL、VAL、IML、PART、AUTOPASS等。,1.7 机器人学的国内外研究现状,目前，机器人的发展已经由单纯的工业机器人走向多样化、高智能方向。机器人技术正逐步向着具有行走能力、多种感觉能力以及对作业环境的较强自适应能力的方面发展。对全球机器人技术发展最有影响的国家应该是美国和日本。美国在机器人技术的综合研究水平上仍处于领先地位。而日本生产的机器人在数量、种类方面则居世界首位。 我国的机器人技术起步较晚，大约于20世纪70年代末、80年代初开始。20世纪90年代中期，6000米以下深水作业机器人实验成功。以后的近10年中，在步行机器人、精密装配机器人、多自由度关节机器人的研制等国际前沿领域逐步缩小了与世界先进水平的差距。,目前最有影响的国际会议是IEEE每年举行的机器人学与自动化国际会议（ICRA），此外还有国际工业机器人会议（ISIR）和国际工业机器人技术会议（CIRT）等。出版的相关刊物有“IEEE Transactions on Robotics”、“Robotics Research”、“Robotics and Automation”等多种。,

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